基于垂直石墨烯阵列的摩擦纳米发电机及其制备方法

1.本发明属于摩擦发电技术领域，具体涉及基于垂直石墨烯阵列的摩擦纳米发电机及其制备方法。


背景技术：

2.现代生活离不开能源。小到电灯、家电设备，大到工厂运转、火箭发射都离不开电。然而石油、煤炭、天然气在地球上的存储有限，且都是不可再生能源。此外，在全球变暖，空气质量恶化的大背景下，基于环境保护目的，多个国家均提出碳中和的目标。石油、煤炭等在开发及使用过程中都会产生碳排放。因此，在全球能源危机及碳中和的大背景下，开发可再生清洁能源迫在眉睫。
3.摩擦纳米发电机(teng)由王中林院士提出，可以将生活中及自然界广泛中存在的机械能转化为电能，且不受日照等限制，具有发展潜力。摩擦纳米发电机，由于具有质轻、成本低廉、制备工艺简单、稳定性好、能量转化效率高和超长的使用寿命等一系列的优点，在发电领域和移动电子设备有着广泛的应用前景。摩擦纳米发电机的工作原理是基于摩擦起电和静电感应，其中摩擦层是最重要的组成部分，主要是利用摩擦起电产生静电荷。对摩擦层材料而言，每次摩擦的接触面在接触分离后，单位面积转移的电荷量和实际接触面积，在很大程度上决定了摩擦发电的输出电压、电流和功率等电学性能。
4.随着移动电子设备朝着小型化方向的发展，对电源要求越来越高：能量密度更高，供电时间更长。对摩擦纳米发电机而言，必须大幅度地提高它的输出功率，也即单位面积转移的电荷量。对摩擦材料的表面进行粗糙化处理，能在很大程度上提高摩擦过程中的实际接触面积，使得摩擦纳米发电机在总的面积或者体积不变的情况下，单位面积或者单位体积的输出功率大幅度提高，最终实现在发电领域和移动电子设备领域的广泛应用。
5.目前，摩擦纳米发电机的优化与改性，包括以下几个方面：其一，表面粗糙化，即在表面形成三角锥形、金字塔形、条形和圆柱形等各种图案或者微纳结构；其二，提高单位面积转移的电荷量，包括选择摩擦性能更优异的摩擦材料、表面注入电荷、化学处理、引入有机物官能团；其三、设计特殊结构，包括栅格结构、旋转圆盘结构和滚筒结构等，提高电子的转移效率；其四、优化电容结构；其五，构造多个摩擦纳米发电机的串并联结构，提高空间利用率，从而大幅度地提高单位面积/体积的输出功率。
6.但针对现有技术公开的摩擦纳米发电机机械能转化效率还需要进一步提高，需要采取多种方法提高其输出能量。因此亟需设计一种能够输出较高输出能量的摩擦纳米发电机的制备方法。


技术实现要素：

7.本发明提供一种基于垂直石墨烯阵列的摩擦纳米发电机制备方法，该制备方法简单、高效，且制备得到的摩擦纳米发电机具有较高的能量输出。
8.一种基于垂直石墨烯阵列的摩擦纳米发电机制备方法，包括：
9.通过等离子体增强化学的气相沉积法(pecvd)方法在第一金属电极上生长垂直石墨烯阵列，然后在所述垂直石墨烯阵列上旋涂一层第一聚合物薄膜，烘干，固化后得到正性摩擦层；
10.在第二金属电极上旋涂一层第二聚合物薄膜得到负性摩擦层，所述第二聚合物薄膜与第一聚合物薄膜的电负性相差较大；
11.在正性摩擦层和负性摩擦层之间使用弹性元件进行垂直组装得到接触-分离式的摩擦纳米发电机。
12.所述第一聚合物薄膜为聚二甲基硅氧烷(pdms)或eco-flex。
13.所述第一聚合物薄膜的厚度为1μm-3mm。
14.本发明通过在垂直石墨烯阵列表面生长第一聚合物，通过垂直石墨烯阵列的孔洞垂直结构使得第一聚合物的表面不平整，从而增加其比表面以提高摩擦纳米发电机的有效接触面积，由于具有较高的有效接触面积从而提高了总转移电荷数量，从而提高了摩擦纳米发电机的输出能量。
15.所述第一金属电极和第二金属电极均包括铜箔、铝箔或ito。
16.所述烘干温度为50-130℃。
17.所述第二聚合物薄膜包括氟化乙烯丙烯共聚物(fep)、聚偏二氟乙烯(pvdf)或聚四氟乙烯(ptfe)。
18.根据不同材料的电负性排行表，所述电负性相差越大，器件输出越大。电负性排行相差2以上。
19.所述弹性元件为海绵或弹簧。
20.本发明还利用了基于垂直石墨烯阵列的摩擦纳米发电机制备方法制备得到的摩擦纳米发电机，包括：
21.包括正性摩擦层和负性摩擦层，正性摩擦层和负性摩擦层之间为弹簧或海绵，负性摩擦层从上到下依次为第一金属电极和第一聚合物摩擦薄膜，第一聚合物薄膜与弹簧或海绵相连，正性摩擦层从上到下依次为第二聚合物薄膜、垂直石墨烯阵列和第二金属电极，第二聚合物薄膜与弹簧或海绵相连。
22.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
23.在金属电极上采用等离子体增强化学的气相沉积法(pecvd)方法生长垂直石墨烯阵列具有高柔性和导电性，提高了其生长电极的导电能力。垂直石墨烯阵列和在其上旋涂的聚二甲基硅氧烷(pdms)薄膜与底面积结合良好，结构稳定。其次，在多孔垂直石墨烯阵列表面沉积的聚二甲基硅氧烷(pdms)薄膜表面不平整，可有效增大聚二甲基硅氧烷(pdms)的比表面积，以提高摩擦纳米发电机(teng)的有效接触面积。通过提高电极的导电性提高其电子转移能力，通过提高摩擦纳米发电机(teng)的有效接触面积提高产生的总转移电荷数量，这两方面都能提高摩擦纳米发电机(teng)的输出能量。
附图说明
24.为了更清楚地说明现有技术以及本发明，下面将对现有技术以及本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申
获得其它的附图。
25.图1为具体实施方式提供的基于垂直石墨烯阵列制作的摩擦纳米发电机。
26.其中，1为第一金属电极，2为第一聚合物薄膜，3为与2电负性相差较大的第二聚合物薄膜，4为采用等离子体增强化学的气相沉积法生长的垂直石墨烯阵列，5为第二金属电极。
具体实施方式
27.下文将结合具体实施例对本发明的技术方案做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
28.一种基于垂直石墨烯阵列的摩擦纳米发电机，如图1所示，包括正性摩擦层和负性摩擦层，正性摩擦层和负性摩擦层之间为弹簧或海绵，负性摩擦层从上到下依次为第一金属电极1和第一聚合物摩擦薄膜2，第一聚合物薄膜2与弹簧或海绵相连，正性摩擦层从上到下依次为第二聚合物薄膜3、垂直石墨烯阵列4和第二金属电极5，第二聚合物薄膜3与弹簧或海绵相连。
29.实施例1
30.使用铜箔作为金属电极，在铜箔金属电极上使用等离子体增强化学的气相沉积法(pecvd)方法生长垂直石墨烯阵列。随后在垂直石墨烯阵列上旋涂一层厚度为1μm的聚二甲基硅氧烷(pdms)薄膜，并80℃加热烘干使其固化，将其用作正性摩擦层，并引出导线用于测试。
31.使用铜箔负性摩擦电极，聚四氟乙烯(ptfe)作为负性摩擦材料，构成负性摩擦层，并从电极上引出导线用于测试。
32.最后将正、负性摩擦材料使用海绵进行垂直组装，构成接触-分离式的摩擦纳米发电机。
33.通过将摩擦纳米发电机的正负极导线连接至整流桥，再将整流后的信号连接至电容进行充电，或测试其开路电压及输出电流特性。
34.通过对比未使用垂直石墨烯阵列，及使用了垂直石墨烯阵列的摩擦纳米发电机(teng)在同样作用力下给电容的充电效率，或对比开路电压及短路电流大小即可证明其提高摩擦纳米发电机(teng)输出的能力。
35.实施例2
36.使用铜箔作为电极，在其上使用等离子体增强化学的气相沉积法(pecvd)方法生长垂直石墨烯阵列。随后在垂直石墨烯阵列上旋涂一层厚度为1mm的eco-flex薄膜，并70℃加热烘干使其固化，将其用作正性摩擦层，并引出导线用于测试。
37.使用铜箔负性摩擦电极，fep作为负性摩擦材料，构成负性摩擦层，并从电极上引出导线用于测试。
38.最后将正、负性摩擦材料使用弹簧进行垂直组装，构成接触-分离式的摩擦纳米发电机。
39.通过将摩擦纳米发电机的正负极导线连接至整流桥，再将整流后的信号连接至电容进行充电，或测试其开路电压及输出电流特性。
40.通过对比未使用垂直石墨烯阵列，及使用了垂直石墨烯阵列的摩擦纳米发电机在同样作用力下给电容的充电效率，或对比开路电压及短路电流大小即可证明其提高摩擦纳米发电机输出的能力。
41.本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。